科盛科技技术支持处 工程师 林明瑜

大纲

本研究以热像仪搭配压力/流量计构成的监测系统，对积层制造（3D打印）制作的镶件之表面温度及异型水路的流量效能进行实时监控，并与相同条件下的Moldex3D模拟结果进行比对，结果显示仿真与实际测试一致，能有效降低复杂产品的开发成本。

挑战

• 评估在投入生产前设计不锈钢异型水路取代铍铜高导热的效益
• 模拟结果须与真实匹配性高
• 测试系统做为3D打印异型水路模具的效能验证工具

解决方案

利用模座预热模块重现异型水路模具的热成像温度分布

效益

• 模拟与实际测试结果一致
• 模具寿命增加一倍
• 模具制造成本为原本铍铜模具的一半

案例研究

水路设计对于塑料成型的模温差与翘曲的影响甚为重要，而以积层制造/3D打印方式制造的异型水路能够改善传统水路的缺点，包括降低热点温度、减少制程周期时间等。但异型水路制作成本较高，需要搭配精确的模拟分析以提高应用普及度。本研究建立一测试系统，监控模具温度场及流场，并根据实际热传效能来辅助模型建立与参数设定，提高异型水路的设计效能。

原始水路设计如图一所示，材料为铍铜，虽具有高导热的优点，但有环保的疑虑，且因射出件的材料含有玻璃纤维，铍铜的耐磨性不足容易降低模具寿命，进而提高制造成本。

图一、原始水路设计

综合上述，将使用3D打印的方式制造另一兼具使用寿命长与优异冷却效率的模具，选用的模具材质为高硬度的不锈钢，在3D打印生产前，先使用Moldex3D模拟结果协助客户判断模具的特定关键区域是否达到预期，评估项目包括温度分布及异型水路的流场效能，分析条件如图二所示。

图二、设定水路模拟条件

分析完成后，由图三水路的速度仿真结果可知，出水口流速约84.35cm/s，经由换算得到流量为3.97L/min，而实际测量的流量值为3.80L/min，两者结果相当接近。

图三、出水口速度仿真结果 vs. 实际流量

实验进一步使用热像仪纪录模具升温过程的温度分布。由图四比较温度结果可知，仿真与实际测试的结果一致，呈现相同的分布趋势，且随时间增加，温度分布逐渐趋于均匀。将热像仪测得的数据制成温度曲线并与仿真结果比较，如图五所示，趋势基本上相符，只是在前期的数值上有些误差，若以最后一秒的温度来比较，实验与模拟的温差约为1.3°C。

图四、各时间点的温度分布比对

图五、实际（IR）与仿真（CAE）的温度历程比对

比较原始设计的铍铜材质与优化设计的不锈钢材质(图六)，尽管不锈钢的热传效果未及铍铜，但异型水路设计弥补了这个缺点。此外，不锈钢高硬度的性质大幅提升了模具的耐磨性，延长模具寿命。经由客户端测试，模具在相同的周期时间可达到相同的冷却效果，且优化设计后的模温变得更均匀，而均匀的温度分布可减少产品因模温差造成的翘曲。

图六、原始设计（铍铜） vs. 优化设计（不锈钢）

结果

本研究利用 Moldex3D 预测异型水路的温度场与流场，并与实际现场数据进行验证，成功将高成本的铍铜模具替换为制造成本更低的不锈钢模具。不仅降低对环境的影响，模具寿命更提升至原来的两倍，同时使模具的温度分布更加均匀。由于高阶产品的开发难度和模具成本较高，Moldex3D 模流分析在模具开发与优化方面提供了重要支持，能有效缩短开发时程，降低开发失误，并提升整体效率。